Negli spazi intergalattici il tempo scorre più o meno velocemente che sulla Terra?

Una teoria che si propone di spiegare l’accelerazione dell’espansione dell’universo senza ipotizzare la presenza dell’energia oscura porta ad una risposta in apparente contrasto con la RG. Le equazioni della Relatività Generale ci dicono come il tempo venga influenzato dalla gravità: ogni massa - ci informa Einstein - è in grado di incurvare lo spazio tempo, e questo significa che, trovandosi nei suoi pressi, un orologio registri il passare del tempo più lentamente rispetto a quanto farebbe se si trovasse in un punto più distante.

Se venissimo trasportati in regioni del cosmo dove sia presente un campo gravitazionale molto intenso, nei pressi di un buco nero o di una stella di neutroni, sperimenteremmo una dilatazione temporale di cui potremmo aver percezione anche su scale quotidiane (1) Cosa che non accade sul nostro pianeta, dove tuttavia il campo gravitazionale è relativamente forte e quindi il tempo si trova a scorrere più lentamente rispetto a regioni dello spazio dove la gravità sia più debole (2)

Se ne deduce quindi che negli spazi intergalattici il tempo scorra più velocemente. L’articolo “Supernovae evidence for foundational change to cosmological models”, pubblicato il 19 dicembre scorso sulla piattaforma arXiv, arriva a conclusioni contrarie richiamando la Timescape Cosmology, una teoria che si avvale della Relatività Generale senza introdurre nuova fisica. Vediamo di capire il motivo di questo apparente contrasto. Nell’articolo citato (3) gli autori confrontano il modello cosmologico standard ΛCDM (che include la costante cosmologica Λ responsabile dell’accelerazione dell’espansione del cosmo, e la materia oscura fredda), con la timescape cosmology, una congettura cosmologica che considera l’effetto delle disomogeneità nella struttura dell’universo (4) Questo studio solleva interrogativi sulla necessità di introdurre l’energia oscura per spiegare l’accelerazione dell’espansione dell’universo, proponendo invece che tale fenomeno possa derivare dalla considerazione delle disomogeneità cosmiche. Nella timescape cosmology il tempo viene percepito come più lento negli spazi intergalattici rispetto alle regioni galattiche dense, in conseguenza della natura disomogenea dell’universo e del modo in cui la gravità e l’espansione influenzano il trascorrere del tempo. Eccone illustrati i motivi: - Effetti della disomogeneità gravitazionale. Secondo la timescape cosmology a grandi scale l’universo non sarebbe omogeneo (5), ma risulta invece composto da regioni dense (costituite da galassie ed ammassi) e regioni vuote (gli spazi intergalattici), chiamate rispettivamente voids e walls.

Indiscutibilmente, la gravità è molto più debole negli spazi intergalattici (voids) rispetto alle regioni galattiche dense, tuttavia la congettura postula che la dilatazione temporale dipenda (anche) dall’espansione cosmica, e non soltanto dalla gravità. - Espansione più veloce nei voids.

Nei voids, l’espansione cosmica risulta più rapida rispetto alle regioni dense, e questo fatto determinerebbe una differenza nella velocità con cui segnano il tempo gli orologi percepita tra le due zone: per un osservatore che si trovi in regioni dense (come noi che siamo all'interno di una galassia) il tempo negli spazi intergalattici appare rallentato. Tale differenza viene interpretata come un effetto relativo dovuto all’accoppiamento tra espansione locale e globale. - Dilatazione temporale apparente. Nella timescape cosmology ogni osservatore misura il tempo in base alla propria regione dell’universo. Per un osservatore localizzato in una galassia, i processi negli spazi intergalattici (come l’espansione) sembrano avvenire più lentamente, a causa di questa differenza nella metrica temporale. - Conseguenze sull’accelerazione apparente dell’universo. Questa teoria spiega l’apparente accelerazione dell’espansione cosmica senza invocare l’energia oscura, attribuendola invece alla differenza nella percezione del tempo tra le regioni dense ed i voids. La Timescape Cosmology offre quindi un’interpretazione alternativa in cui la disomogeneità dell’universo e la diversa espansione delle sue regioni creano un’illusione di accelerazione cosmica e un rallentamento apparente del tempo negli spazi intergalattici.

Note: (1) Una situazione ben illustrata dal film Interstellar dove un astronauta, a bordo di un vascello in orbita intorno ad un buco nero, rimane per lunghi anni in attesa dei ritorno dei compagni, i quali invece hanno svolto una breve missione su di un pianeta molto vicino al suo orizzonte degli eventi. (2) La differenza in questo caso si misura in microsecondi. Vedi in merito un mio post pubblicato il 14 maggio 2021 dal titolo "L’incredibile viaggio nel tempo dell’Apollo 8” dove racconto dell’originale richiesta di indennizzo avanzata dall'equipaggio di ritorno dalla prima circumnavigazione della Luna, per l’eccedenza di 300 microsecondi rispetto alla durata del viaggio misurata dagli orologi della Nasa nella sala controllo a Huston. (3) Dove viene eseguita un’analisi statistica, indipendente dai modelli cosmologici, del dataset “Pantheon+” relativo alle supernovae di tipo Ia, di norma utilizzate come “candele standard” per misurare la distanza delle galassie cui appartengono. I risultati di tale operazione suggeriscono che la timescape cosmology potrebbe fornire una descrizione più accurata dei dati osservativi rispetto al modello ΛCDM, indicando la possibilità di una revisione fondamentale dei modelli cosmologici attuali (4) La Timescape Cosmology, proposta dal fisico neozelandese David Wiltshire nel 2007, appartiene al gruppo delle cosiddette cosmologie non omogenee.

Quest'ultime presumono che le reazioni retroattive delle strutture più dense e quelle dei vuoti vuoti sullo spazio-tempo siano significative, e che la struttura dell'universo a grandi scale possa influenzare significativamente la percezione dell'espansione cosmica.

L'idea centrale è che l'omogeneità e l'isotropia a grandi scale (assunte nel modello standard) siano solo una media matematica e non riflettano la realtà fisica.

Sappiamo che mentre nell'universo primordiale la materia era distribuita in modo omogeneo, le piccole variazioni di densità hanno causato nel corso di miliardi di anni la formazione di galassie, ammassi di galassie, superammassi e vasti filamenti di materia intervallati da regioni di vuoto.

L'enorme massa raggruppatasi in galassie ed ammassi determina una curvatura positiva dello spaziotempo in loro prossimità, là dove invece i vuoti intergalattici dovrebbero provocare l'effetto opposto, la presenza di curvatura negativa attorno ad essi.

Questi effetti (chiamati retroreazioni o backreaction) potrebbero risultare trascurabili - come ipotizza la cosmologia standard - oppure, considerati tutti insieme, esser sufficienti a cambiare la geometria dell'universo.

Nel modello di Wiltshire si tiene conto del fatto che la gravità relativistica causi variazioni locali nel "ritmo del tempo" percepito da osservatori in regioni con diversa densità di materia (ad esempio, all'interno di ammassi di galassie rispetto ai vuoti cosmici).

Di conseguenza le supernovae osservate nel 1998 (la misura della cui distanza ha portato ad ipotizzare un incremento della velocità di espansione dello spazio) potrebbero esser invece localizzate ben più lontane di quanto stimato.

Addirittura la cosmologia del timescape potrebbe anche implicare che l'espansione dell'universo stia di fatto rallentando. (5) Il modello cosmologico standard ΛCDM si basa invece sull’assunto che a grandi scale (> 300 milioni di anni luce, e cioè alla scala dei superammassi galattici) l'universo si presenti:

- omogeneo, e cioè uniforme nella distribuzione della materia e dell'energia: indipendentemente dalla direzione in cui lo si osservi la densità media della materia risulta simile.

- isotropo: l'universo appare lo stesso in tutte le direzioni, proprietà confermata dalle misure della radiazione cosmica di fondo (CMB), che risulta estremamente uniforme.